Biomarker freon-40 blijkt niet geschikt als ‘verklikker’ van leven

ALMA en Rosetta hebben Freon-40 in de ruimte ontdekt. Credit:B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); NASA/JPL-Caltech/UCLA

Bij waarnemingen met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en ESA’s ruimtesonde Rosetta is het organohalogeen freon-40 ontdekt in het gas rond respectievelijk een jonge dubbelster en een komeet. Organohalogenen worden op aarde gevormd bij organische processen, maar dit is voor het eerst dat ze in de interstellaire ruimte zijn gedetecteerd. De ontdekking wijst erop dat organohalogenen niet zo geschikt zijn als ‘verklikkers’ van leven als werd gehoopt. Dat neemt niet weg dat ze waarschijnlijk een belangrijk bestanddeel zijn van het materiaal waaruit planeten ontstaan. Dit resultaat, dat wordt gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy, onderstreept nog eens hoe moeilijk het is om moleculen te vinden die het bestaan van buitenaards leven kunnen aantonen.

Aan de hand van gegevens die zijn verzameld met ALMA in Chili en het ROSINA-instrument van ESA’s Rosetta-missie heeft een team van astronomen zwakke sporen ontdekt van de chemische verbinding freon-40 (CH3Cl), ook bekend als chloormethaan en methylchloride, rond zowel het jonge stersysteem IRAS 16293-2422 [1]Deze protoster is een dubbelster, omgeven door een moleculaire wolk, in het stervormingsgebied Rho Ophiuchi. Dat maakt hem tot een uitstekend doelwit voor ALMA’s (sub)millimeter-‘ogen’., ongeveer 400 lichtjaar van ons vandaan, als de beroemde komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P/C-G) in ons eigen zonnestelsel. De nieuwe ALMA-waarneming is de eerste detectie ooit van een organohalogeen in de interstellaire ruimte [2]De hier gebruikte gegevens zijn afkomstig van de ALMA Protostellar Interferometric Line Survey (PILS). Het doel van deze survey is om de chemische complexiteit van IRAS 16293-2422 in kaart te … Continue reading.

Organohalogenen bestaan uit halogenen (‘zoutvormers’), zoals chloor en fluor, die gebonden zijn aan koolstof en soms ook andere elementen. Op aarde worden deze verbindingen gevormd door bepaalde biologische processen die zich afspelen in de meest uiteenlopende organismen – van schimmels tot de mens. Ook ontstaan ze bij allerlei industriële processen, zoals de productie van kleurstoffen en medicijnen [3]Freon werd veel gebruikt als koelvloeistof (vandaar de naam), maar dat is inmiddels verboden, omdat dit een verwoestende uitwerking had op de beschermende ozonlaag van de aarde..

De nieuwe ontdekking van een van deze verbindingen, freon-40, op plekken waar nog geen leven kan zijn ontstaan, kan als teleurstellend worden gezien, omdat eerder onderzoek had aangegeven dat deze moleculen op de aanwezigheid van leven zouden kunnen wijzen.

Het Rho Ophiuchi-stervormingsgebied in het sterrenbeeld Slangendrager. Credit:ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

De ontdekking van het organohalogeen freon-40 nabij deze jonge, zonachtige sterren kwam als een verrassing,’ zegt Edith Fayolle, onderzoeker bij het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts (VS), en hoofdauteur van het nieuwe onderzoeksverslag. ‘We hebben de vorming ervan simpelweg niet voorzien en waren verrast om het in zulke significante concentraties aan te treffen. Het staat nu vast dat deze moleculen zich gemakkelijk kunnen vormen in stellaire kraamkamers, wat nieuwe inzichten oplevert over de chemische evolutie van planetenstelsels, inclusief het onze.

Het exoplanetenonderzoek gaat inmiddels verder dan het opsporen van planeten (de teller is de 3000 inmiddels ruimschoots gepasseerd). Er wordt nu ook gezocht naar zogeheten biomarkers – chemische verbindingen die op de mogelijke aanwezigheid van leven kunnen wijzen. Een cruciale stap in dit proces is bepalen welke moleculen een indicatie van leven kunnen zijn, maar dat is een netelige kwestie.

ALMA’s ontdekking van organohalogenen in het interstellaire medium vertelt ons ook iets over de uitgangssituatie voor organische chemie op planeten. Deze chemie is een belangrijke stap naar het ontstaan van leven,’ voegt medeauteur Karin Öberg eraan toe. ‘Uit onze ontdekking blijkt dat organohalogenen waarschijnlijk een bestanddeel zijn van de zogeheten ‘oersoep’, zowel op de jonge aarde als op pas gevormde rotsachtige exoplaneten.

Dit kan erop wijzen dat astronomen het bij het verkeerde eind hadden: organohalogenen zijn niet zozeer indicatoren van bestaand leven, als wel een belangrijk bestanddeel in de nog niet goed begrepen chemie die tot het ontstaan van leven leidt.

ALMA and Rosetta Detect Freon-40 in Space. Credit:B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Medeauteur Jes Jørgensen van het Niels Bohr Instituut van de Universiteit van Kopenhagen voegt toe: ‘Dit resultaat is een bewijs van het vermogen van ALMA om astrobiologisch interessante moleculen te detecteren in de naaste omgeving van jonge sterren, waar zich planeten kunnen vormen. Eerder hebben we met ALMA al eenvoudige suikers en aminozuren rond verschillende sterren ontdekt. De bijkomende ontdekking van freon-40 rond komeet 67P/C-G toont aan dat er een duidelijk verband bestaat tussen de pre-biologische chemie van verre protosterren en ons eigen zonnestelsel.’

De astronomen hebben ook onderzocht hoe het zit met de relatieve hoeveelheden freon-40 die verschillende koolstofisotopen bevatten. Daaruit blijkt dat die verhoudingen voor het jonge stersysteem en de komeet ongeveer gelijk zijn. Dit onderbouwt het vermoeden dat een jong planetenstelsel de chemische samenstelling kan erven van de ster-vormende wolk waaruit het is voortgekomen. Dat betekent dat planeten al tijdens hun vormingsproces of anders via komeetinslagen van organohalogenen kunnen worden voorzien.

Onze resultaten laten zien dat we nog veel te leren hebben over de vorming van organohalogenen,’ concludeert Fayolle. ‘Verdere zoekacties naar organohalogenen rond andere sterren en kometen zijn nodig om hier het fijne van te weten te komen.’ Bron: ESO.

References[+]

References
1 Deze protoster is een dubbelster, omgeven door een moleculaire wolk, in het stervormingsgebied Rho Ophiuchi. Dat maakt hem tot een uitstekend doelwit voor ALMA’s (sub)millimeter-‘ogen’.
2 De hier gebruikte gegevens zijn afkomstig van de ALMA Protostellar Interferometric Line Survey (PILS). Het doel van deze survey is om de chemische complexiteit van IRAS 16293-2422 in kaart te brengen, door deze over het volledige golflengtebereik van ALMA tot op zeer kleine schalen – vergelijkbaar met de afmetingen van ons zonnestelsel – waar te nemen.
3 Freon werd veel gebruikt als koelvloeistof (vandaar de naam), maar dat is inmiddels verboden, omdat dit een verwoestende uitwerking had op de beschermende ozonlaag van de aarde.

ALMA ontdekt onverwacht koude stofdeeltjes in planeet-vormende schijf

De protoplanetaire schijf ‘Vliegende Schotel’ rond de ster 2MASS J16281370-2431391. Alle afbeeldingen: Credit Digitized Sky Survey 2/NASA/ESA

Astronomen hebben met de telescopen ALMA en IRAM voor het eerst een rechtstreekse meting gedaan van de temperatuur van de grote stofdeeltjes in het buitenste deel van een planeet-vormende schijf rond een jonge ster. Door een nieuwe techniek toe te passen op een object dat de bijnaam Vliegende Schotel draagt, hebben zij ontdekt dat de deeltjes veel kouder zijn dan verwacht: -266 graden Celsius. Dit verrassende resultaat wijst erop dat de bestaande schijfmodellen moeten worden bijgesteld.

Het internationale team, onder leiding van Stephane Guilloteau van het Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux in Frankrijk, heeft de temperatuur gemeten van grote stofdeeltjes rond de jonge ster 2MASS J16281370-2431391 in het spectaculaire Rho Ophiuchi-stervormingsgebied op ongeveer 400 lichtjaar van de aarde.

Deze ster is omringd door een schijf van gas en stof. Zulke schijven worden protoplanetaire schijven genoemd, omdat ze het beginstadium van het planeetvormingsproces vertonen. Deze specifieke schijf zien we bijna van opzij, wat hem de bijnaam Vliegende Schotel heeft opgeleverd.

De protoplanetaire schijf ‘Vliegende Schotel’ rond de ster 2MASS J16281370-2431391. Credit:ESO/NASA/ESA

De astronomen gebruikten ALMA om de gloed waar te nemen die afkomstig is van de koolstofmonoxide-moleculen in de schijf van 2MASS J16281370-2431391. Dat heeft behalve heel scherpe opnamen ook een bijzondere ontdekking opgeleverd: op sommige plekken zagen ze een negatief signaal! Normaal gesproken is een negatief signaal onmogelijk, maar in dit geval is er een verklaring voor. En die resulteert in een verrassende conclusie.

Hoofdauteur Stephane Guilloteau steekt van wal: ‘Deze schijf wordt niet waargenomen tegen een zwarte en lege hemelachtergrond. In plaats daarvan zien we hem afsteken tegen de gloed van de Rho Ophiuchi-nevel. Deze gloed is te uitgestrekt om door ALMA gedetecteerd te worden, maar wordt wel door de schijf geabsorbeerd. Het resulterende negatieve signaal betekent dat delen van de schijf kouder zijn dan de achtergrond. De Vliegende Schotel werpt letterlijk zijn schaduw over de aarde!

Het Rho Ophiuchi-stervormingsgebied in het sterrenbeeld Slangendrager

Het team combineerde de ALMA-metingen van de schijf met waarnemingen van de achtergrondgloed die zijn gedaan met de 30-meter IRAM-telescoop in Spanje [1]De IRAM-metingen waren nodig, omdat ALMA zelf niet gevoelig was voor het uitgestrekte achtergrondsignaal.. Daaruit leiden ze af dat de schijfdeeltjes op ongeveer 15 miljard kilometer van de centrale ster [2]Dit komt overeen met honderd keer de afstand zon-aarde. In ons zonnestelsel is op die plek de Kuipergordel te vinden. een temperatuur van slechts -266 graden Celsius hebben (slechts 7 graden boven het absolute nulpunt oftewel 7 kelvin). Het is voor het eerst dat de temperatuur van grote deeltjes (met afmetingen van ongeveer een millimeter) in zo’n object rechtstreeks is gemeten.

De temperatuur is veel lager dan de -258 tot -253 graden Celsius (15 tot 20 kelvin) die de meeste modellen van dit moment voorspellen. Deze discrepantie wijst erop dat de grote stofdeeltjes heel andere eigenschappen hebben dan die modellen veronderstellen.

Het Rho Ophiuchi-stervormingsgebied in het sterrenbeeld Slangendrager

Om de gevolgen van deze ontdekking voor de schijfstructuur te kunnen inschatten, zullen we moeten onderzoeken welke plausibele stofeigenschappen in zulke lage temperaturen kunnen resulteren. We hebben wel wat ideeën – bijvoorbeeld dat de temperatuur afhankelijk kan zijn van de afmetingen van de deeltjes, waardoor grotere deeltjes koeler zijn dan kleinere – maar het is nog te vroeg om daar zeker van te zijn,’ aldus mede-auteur Emmanuel di Folco (Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux).

Als deze lage stoftemperaturen een normale eigenschap blijken te zijn van protoplanetaire schijven, kan dat allerlei gevolgen hebben voor ons begrip van de manier waarop zij ontstaan en evolueren.

Zo zijn andere stofeigenschappen van invloed op wat er gebeurt wanneer deze deeltjes met elkaar in botsing komen, en dus op hun rol als planetaire ‘groeikernen’. Of de vereiste verandering in stofeigenschappen in dit opzicht significant is of niet, kan nog niet worden ingeschat.

Lage stoftemperaturen kunnen ook een grote uitwerking hebben op de kleinere stofschijven die we kennen. Als deze schijven voornamelijk bestaan uit grotere, maar koelere stofdeeltjes dan momenteel wordt verondersteld, zou dat betekenen dat deze compacte schijven veel meer massa kunnen hebben en dus in staat moeten zijn om grote planeten te vormen op relatief geringe afstand van de centrale ster.

Er zijn meer waarnemingen nodig, maar het lijkt erop dat het koelere stof dat met ALMA is waargenomen significante gevolgen kan hebben voor onze kijk op protoplanetaire schijven. Bron: ESO.

References[+]

References
1 De IRAM-metingen waren nodig, omdat ALMA zelf niet gevoelig was voor het uitgestrekte achtergrondsignaal.
2 Dit komt overeen met honderd keer de afstand zon-aarde. In ons zonnestelsel is op die plek de Kuipergordel te vinden.

Het “recept” voor stervorming is gevonden

De Pijpnevel en de Rho Ophiuchiwolk zijn twee moleculaire wolken die door de betrokken wetenschappers bestudeerd zijn met ALMA. © S. Guisard, ESO (background) / J. Kainulainen, MPIA (density maps)

Astronomen hebben een nieuwe methode ontdekt om te voorspellen hoeveel sterren geboren kunnen worden vanuit een enkele sterrenkraamkamer. Dit heeft men gedaan door de driedimensionale structuur van zo’n kraamkamer (feitelijk een moleculaire wolk) te reconstrueren. Je zou kunnen zeggen dat astronomen het “recept van stervorming” gevonden hebben. De ontdekking kan de wetenschap helpen om de huidige theorieën over stervorming te testen.Stervorming is één van de meest fundamentele processen in het universum. De wijze waarop sterren ontstaan is van grote invloed op de structuur van sterrenstelsels. Sterren worden geboren in gigantische wolken van interstellair gas en stof. Als in zo’n wolk een gebiedje ontstaan met een voldoende hoge dichtheid, dan treed plots de zwaartekracht in werking, waardoor het gebiedje steeds meer gas gaat aantrekken. Naarmate de wolk samentrekt, wordt de druk en de temperatuur in het centrum steeds hoger. Op een gegeven moment gaat kernfusie van start, waarna de ster geboren is.

Dit is een computersimulatie van stervorming in een turbulente gaswolk. Deze en soortgelijke simulaties zijn uitgevoerd door de betrokken wetenschappers om hun reconstructiemethode te testen. Stervormingsgebieden zijn aangeduid met een cirkel; de helderheid geeft de massa van de ster aan. © C. Federrath, Monash University

Het meten van de mate van stervorming is ontzettend lastig, ondanks het feit dat ons melkwegstelsel vele duizenden moleculaire wolken bevat. Tot een afstand van 1000 lichtjaar gaat het nog wel: je telt simpelweg het aantal sterren in zo’n wolk. Op grotere afstand kun je geen afzonderlijke sterren meer onderscheiden en dan heb je dus een probleem.Gelukkig hebben drie astronomen van het Max Planck Instituut een oplossing bedacht. Daarbij maken ze gebruik van het feit dat licht van verre sterren dat door de wolk heen schijnt, door het in de wolk aanwezige stof wordt afgezwakt. De astronomen hebben deze zogeheten extinctie benut om van zestien nabije moleculaire wolken de dichtheidsverschillen te bepalen. Hierbij is gebruik gemaakt van de Atacama Millimeter/submillimeter Array (ALMA).Vervolgens hebben de astronomen gebruik gemaakt van computermodellen om de mate van stervorming te schatten, en deze vervolgens vergeleken met de waarnemingen. Op die wijze hebben ze ontdekt dat een “kritieke dichtheid” van 5000 waterstofmoleculen per vierkante centimeter voldoende is om tot stervorming te komen – een stuk ijler dan gedacht. De conclusie luidt dan ook dat sterren schijnbaar gemakkelijker kunnen ontstaan dan gedacht. Bron: Max Planck Instituut.

Geert Wilders blij: waterstofperoxide ontdekt in de ruimte

Credit: ESO/S. Guisard (www.eso.org/~sguisard)

Voor het eerst zijn in de interstellaire ruimte moleculen van waterstofperoxide gevonden – yep, het middeltje waarmee we onder andere ons haar kunnen blonderen. Deze ontdekking geeft meer inzicht in het chemische verband tussen twee moleculen die cruciaal zijn voor het ontstaan van leven: water en zuurstof. Op aarde speelt waterstofperoxide een sleutelrol bij de chemische interactie tussen water en ozon in de atmosfeer, en staat de stof bekend als ontsmettings- en haarbleekmiddel. Nu is hij met de door ESO beheerde APEX-telescoop in Chili dan ook in de ruimte ontdekt. Een internationaal team van astronomen deed de ontdekking met de Atacama Pathfinder Experiment-telescoop (APEX) op het 5000 meter hoge Chajnantor-plateau in de Chileense Andes. Daarmee keken ze naar een gebied in de Melkweg, in de omgeving van de ongeveer 400 lichtjaar verre ster Rho Ophiuchi (afgekort ρ Oph A, zie afbeelding hierboven). In dat gebied bevinden zich zeer koude (ca. -250 graden Celsius), dichte wolken van gas en stof waarin nieuwe sterren worden geboren. De wolken bestaan grotendeels uit waterstof, maar bevatten ook sporen van andere chemische stoffen, die interessant zijn voor astronomen die op kosmische moleculen jagen. Telescopen zoals APEX, die straling in het millimeter- en submillimetergebied opvangen, zijn ideaal voor het opsporen van deze moleculen. In een deel van het ρ Oph A-complex heeft het team nu de karakteristieke signatuur ontdekt van de straling van waterstofperoxide. We zijn blij verrast dat we de signatuur van waterstofperoxide met APEX hebben ontdekt. Via laboratoriumexperimenten wisten we op welke golflengten we moesten zoeken, maar de hoeveelheid waterstofperoxide in de wolk is slechts één molecuul op de tien miljard waterstofmoleculen. De detectie vereiste dus de nodige zorgvuldigheid,’ zegt Per Bergman, astronoom bij het Onsala-ruimteobservatorium in Zweden. Bergman is hoofdauteur van het onderzoek dat in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics is gepubliceerd. Waterstofperoxide (H2O2) is voor zowel astronomen als chemici een sleutelmolecuul. De vorming ervan is nauw verbonden met twee andere bekende moleculen, zuurstof en water, die cruciaal zijn voor leven. Omdat aangenomen wordt dat veel van het water op onze planeet oorspronkelijk in de ruimte is gevormd, willen wetenschappers graag weten hoe dat is gebeurd.

Vermoed wordt dat waterstofperoxide in de ruimte ontstaat aan de oppervlakken van kosmische stofdeeltjes – zeer fijne deeltjes, vergelijkbaar met zand en roet – waar waterstof- (H) en zuurstofmoleculen (O2) bijeenkomen. De reactie van waterstofperoxide met nog meer waterstof is een van de manieren om water (H2O) te produceren. De detectie van waterstofperoxide kan astronomen dus helpen begrijpen hoe het water in het heelal is ontstaan. Om er achter te komen wat de verbanden zijn tussen de ontstaansprocessen van deze belangrijke moleculen, zijn meer waarnemingen van ρ Oph A en andere stervormingsgebieden met toekomstige telescopen als de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) nodig, maar ook de hulp van chemici in laboratoria op aarde. Bron: ESO.